2．觀察光柵尺波形

 

(1)將編碼器的A、B相信號分別接入數字示波器的兩個通道。

 

(2)進入數控系統，在MDI方式下調用G01指令，使交流伺服軸進行低速進給運動，按一下進給修調右側的“+”按鍵(修調倍率缺省設定是遞增10%，即按一下“+”按鍵，軸進給速度遞增10%)。

 

(3)調整示波器，使兩個通道同步，觀察交流伺服軸由低速逐漸加速運動后，兩個通道的信號波形，并以平面坐標系的格式繪制波形，如圖10所示。

 

(4)讓交流伺服電動機反向轉動，觀察兩個通道的信號波形，并以圖8所示的格式繪制波形。

 

(5)將編碼器的Z相信號接入數字示波器的一個通道。

 

(6)進入數控系統，在MDI方式下調用G01指令，使交流伺服軸低速進給運動。

 

(7)調整示波器，觀察Z相信號波形，并以圖8所示的格式繪制波形。

 

(8)用同樣的方法觀察，并繪制光柵尺A、B、Z相信號波形。

 

圖8  繪制波形格式

 

五、知識鏈接

 

1．旋轉變壓器

 

旋轉變壓器又稱分解器，是一種控制用的微電機，它將機械轉角變換成與該轉角呈某一函數關系的電信號的一種間接測量裝置。

 

在結構上與二相線繞式異步電動機相似，由定子和轉子組成。定子繞組為變壓器的原邊，轉子繞組為變壓器的副邊。激磁電壓接到轉子繞組上，感應電動勢由定子繞組輸出。常用的激磁頻率為400Hz，500Hz，1000Hz和5000Hz。

 

旋轉變壓器結構簡單，動作靈敏，對環境無特殊要求，維護方便，輸出信號幅度大，抗干擾性強，工作可靠。因此，在數控機床上廣泛應用。

 

通常應用的旋轉變壓器為二極旋轉變壓器，其定子和轉子繞組中各有互相垂直的兩個繞組。另外，還有一種多極旋轉變壓器。也可以把一個極對數少的和一個極對數多的兩種旋轉變壓器做在一個磁路上，裝在一個機殼內，構成“粗測”和“精測”電氣變速雙通道檢測裝置，用于高精度檢測系統和同步系統。

 

    根據旋轉變壓器的工作原理，旋轉變壓器作為位置檢測裝置有兩種應用方式：鑒相方式和鑒幅方式。

 

    (1)鑒相工作方式

 

在旋轉變壓器定子的兩相正交繞組（正弦用s和和余弦用c表示），一般稱為正弦繞組和余弦繞組上，分別輸入幅值相等，頻率相同的正弦、余弦激磁電壓

 

    Us=Umsinωt           Uc=Umcosωt

 

兩相激磁電壓在轉子繞組中會產生感應電動勢。根據線性疊加原理，在轉子繞組中感應電壓為

 

          U=kUssinθ機+kUccosθ機=kUmcos(ωt-θ機)         

 

其中k為變壓比，由式4-10可知感應電壓的相位角就等于轉子的機械轉角θ機。因此只要檢測出轉子輸出電壓的相位角，就知道了轉子的轉角，而且旋轉變壓器的轉子是和伺服電機或傳動軸連接在一起的，從而可以求得執行部件的直線位移或角位移。

 

(2)鑒幅工作方式

 

給定子的兩個繞組分別通上頻率、相位相同但幅值不同，即調幅的激磁電壓

 

Us=Umsinθ電sinωt            Uc=Umcosθ電sinωt

 

則在轉子繞組上得到感應電壓為

 

   U=kUssinθ機+kUccosθ機              

 

         =kUmsinωt(sinθ電sinθ機+cosθ電Uccosθ電)

 

     =kUmcos(θ電-θ機) sinωt                     

 

    在實際應用中，是不斷修改激磁調幅電壓值的電氣角θ電，使之跟蹤θ機的變化，并測量感應電壓幅值即可求得機械角位移θ機。

 

    2．感應同步器

 

    應同步器與旋轉變壓器一樣，是利用電磁耦合原理，將位移或轉角轉化成電信號的位置檢測裝置。實質上，感應同步器是多極旋轉變壓器的展開形式。感應同步器按其運動形式和結構形式的不同，可分為旋轉式（或稱圓盤式）和直線式兩種。前者用來檢測轉角位移，用于精密轉臺，各種回轉伺服系統；后者用來檢測直線位移，用于大型和精密機床的自動定位，位移數字顯示和數控系統中，兩者工作原理和工作方式相同。

 

（1）感應同步器的結構

 

直線式感應同步器的結構如圖9所示。感應同步器由定子和滑尺兩部分組成。定尺和滑尺通常以優質碳素鋼作為基體，一般選用導磁材料，其膨脹系數盡量與所安裝的主基體相近。定尺與滑尺平行安裝，且保持一定間隙。定尺表面制有連續平面繞組（在基體上用絕緣的粘合劑貼上銅箔，用光刻或化學腐蝕方法制成方形開口平面繞組）；在滑尺的繞組周圍常貼一層鋁箔，防止靜電干擾，滑尺上制有兩組分段繞組，分別稱為正弦繞組和余弦繞組，，這兩段繞組相對于定尺繞組在空間錯開1/4的節距，節距用2τ表示，安裝時定尺組件與滑尺組件安裝在機床的不動和移動部件上，例如工作臺和床身，滑尺安裝在機床上，并自然接地。工作時，當在滑尺兩個繞組中的任一繞組加上激勵電壓時，由于電磁感應，在定尺繞組中會感應出相同頻率的感應電壓，通過對感應電壓的測量，可以精確的測量出位移量。感應同步器就是利用感應電壓的變化進行位置檢測的。

 

 

圖9  直線式感應同步器的結構原理

 

（2）感應同步器的應用

 

與旋轉變壓器一樣，有鑒相式和鑒幅式兩種工作方式，原理亦相同。

 

（3）感應同步器的特點

 

1) 精度高

 

因為定尺的節距誤差有平均自補償作用，所以尺子本身的精度能做得較高。直線感應同步器對機床位移的測量是直接測量，不經過任何機械傳動裝置，測量精度主要取決于尺子的精度。感應同步器的靈敏度（或稱分辨率），取決于一個周期進行電氣細分的程度，靈敏度的提高受到電子細分電路中信噪比的限制，只要對線路進行精心設計和采取嚴密的抗干擾措施，可以把電噪聲減到很低，并獲得很高的穩定性。

 

2) 測量長度不受限制

 

當測量長度大于250㎜時，可以采用多塊定尺接長，相鄰定尺間隔可用塊規或激光測長儀進行調整，使總長度上的累積誤差不大于單塊定尺的最大偏差。行程為幾米到幾十米的中型或大型機床中，工作臺位移的直線測量，大多數采用直線式感應同步器來實現。

 

3)對環境的適應較高

 

因為感應同步器金屬基板和床身鑄鐵的熱脹系數相近，當溫度變化時，還能獲得較高的重復精度，另外，感應同步器是非接觸式的空間耦合器件，所以對尺面防護要求低，而且可選擇耐溫性能良好的非導磁性涂料作保護層，加強感應同步器的抗溫防濕能力。

 

4)維護簡單，壽命長

 

感應同步器的定尺和滑尺互不接觸，因此無任何摩擦，磨損，使用壽命長，且無須擔心元件老化等問題。

 

另外，感應同步器的抗干擾能力強，工藝性好，成本較低，便于復制和成批生產。

 

3．磁尺

 

    磁尺又稱為磁柵，是一種計算磁波數目的位置檢測元件?？捎糜谥本€和轉角的測量，其優點是精度高、復制簡單及安裝方便等，且具有較好的穩定性，常用在油污、粉塵較多的場合。因此，在數控機床、精密機床和各種測量機上得到了廣泛使用。

圖10  磁尺結構與工作原理

 

磁尺由磁性標尺，磁頭和檢測電路組成，其結構如圖10所示。磁性標尺是在非導磁材料的基體上，采用涂敷，化學沉積或電鍍上一層很薄的磁性材料，然后用錄磁的方法使敷層磁化成相等節距周期變化的磁化信號。磁化信號可以是脈沖，也可以為正弦波或飽和磁波。磁化信號的節距（或周期）一般有0.05㎜，0.10mm，0.20㎜，1㎜等幾種。

 

磁頭是進行磁—電轉換的器件，它把反映位置的磁信號檢測出來，并轉換成電信號輸送給檢測電路。

 

磁尺是利用錄磁原理工作的。先用錄磁磁頭將按一定周期變化的方波、正弦波或電脈沖信號錄制在磁性標尺上，作為測量基準。檢測時，用拾磁磁頭將磁性標尺上的磁信號轉化成電信號，再送到檢測電路中去，把磁頭相對于磁性標尺的位移量用數字顯示出來，并傳輸給數控系統。

 

4．脈沖編碼器

 

脈沖編碼器是一種旋轉式脈沖發生器，把機械轉角變成電脈沖，是一種常用的角位移傳感器。同時也可作速度檢測裝置。

 

(1)脈沖編碼器的分類與結構

 

脈沖編碼器分為光電式、接觸式和電磁感應式三種。光電式的精度與可靠性都優于其他兩種，因此數控機床上只使用光電式脈沖編碼器。光電脈沖編碼器按每轉發出脈沖數的多少來分，有多種型號。數控機床上最常用的光電脈沖編碼器見表2。脈沖編碼器的選用根據數控機床滾珠絲杠的螺距確定。

 

表2   光電脈沖發生器

 

脈沖編碼器	每轉移動量（mm）	脈沖編碼器	每轉移動量（mm）
2000P／r	2,3,4,6,8	3000P／r	3,6,12
2500P／r	5，10

 

 

 

光電式脈沖編碼器的結構如圖11所示。在一個圓盤的圓周上刻有等間距線紋，分為透明和不透明的部分，稱為圓光柵。圓光柵與工作軸一起旋轉。與圓光柵相對，平行放置一個固定的扇形薄片，稱為指示光柵，上面制有相差1/4節距的兩個狹縫（辨向狹縫）。此外，還有一個零位狹縫（每轉發出一個脈沖）。脈沖發生器通過十字連接頭或鍵與伺服電動機相連。當圓光柵旋轉時，光線透過這兩光柵的線紋部分，形成明暗相間的條紋，被光電元件接受，并變換成測量脈沖，其分辨率取決于圓光柵的一圈線紋數和測量電路的細分倍數。脈沖編碼器主要技術性能見表3。

 

表3   脈沖編碼器主要技術性能

 

電  源	5V±5%,≤0.35A	溫度范圍	0～60°C
輸出信號	A， ；B， ；Z，	軸向頻動	0.02mm
每轉脈沖數	2000,2500,3000	轉子慣量	＜5.7kg·cm2
電  源	5V±5%,≤0.35A	溫度范圍	0～60°C
最高轉速	2000r／min	阻尼轉距	＜8N·cm

 

 

圖11 光電式脈沖編碼器的結構

 

圖12  脈沖編碼器輸出波形

 

當圓光柵與工作軸一起轉動時，光線透過兩個光柵的線紋部分，形成明暗相間的條紋。光電元件接受這些明暗相間的光信號，并轉換為交替變換的電信號。該電信號為兩組近似于正弦波的電流信號A和B，如圖12所示。A和B信號相位相差90°，經放大和整形變成方形波。通過兩個光柵的信號，還有一個“每轉脈沖”，稱為Z相脈沖，該脈沖也是通過上述處理得來的。Z脈沖用來產生機床的基準點。后來的脈沖被送到計數器，根據脈沖的數目和頻率可測出工作軸的轉角及轉速。其分辨率取決于圓光柵的圈數和測量線路的細分倍數。

 

(2)絕對值脈沖編碼器

 

與增量式脈沖編碼器不同，絕對值編碼器是通過讀取編碼盤上的圖案確定軸的位置。碼盤的讀取方式有接觸式、光電式和電磁式等幾種。最常用的是光電式編碼器。

 

光電絕對值編碼器的編碼盤原理圖和結構圖如圖13所示。圖13a中，碼盤上有四條碼道。碼道就是碼盤上的同心圓。按照二進制分布規律，把每條碼道加工成透明和不透明相間的形式。碼盤的一側安裝光源，另一側安裝一排徑向排列的光電管，每個光電管對準一條碼道。當光源照射碼盤時，如果是透明區，則光線被光電管接受，并轉變成電信號，輸出信號為“1”；如果不是透明區，光電管接受不到光線，輸出信號為“O”。被測軸帶動碼盤旋轉時，光電管輸出的信息就代表了軸的相應位置，即絕對位置。

 

 

 

圖13  光電絕對值編碼器

 

光電編碼盤大多采用格雷碼編碼盤，格雷碼數碼見表4。格雷碼的特點是每一相鄰數碼之間僅改變一位二進制數，這樣，即使制作和安裝不十分準確，產生的誤差最多也只是最低位的一位數。

 

四位二進制碼盤能分辨的最小角度(分辨率)為

 

    α=360°／24=22.5°

 

碼道越多，分辨率越小。目前，碼盤碼道可以做到18條，能分辨的最小角度為

 

    α=360°／218 =0.0014°

 

表4   編碼盤的數碼

 

角 度	二進制	格雷碼	十進制	角  度	二進制	格雷碼	十進制
O	0000	0000	0	8α	1000	1100	8
α	0001	0001	1	9α	1001	1101	9
2α	0010	0011	2	1Oα	1010	1111	10
3α	0011	0010	3	11α	1011	1110	11
4α	0100	0110	4	12α	1100	1010	12
5α	0101	0111	5	13α	1101	1011	13
6α	0110	0101	6	14α	1110	1001	14
7α	0111	0100	7	15α	1111	1000	15

(4)光電脈沖編碼器的應用

 

光電脈沖編碼器在數控機床上用作位置檢測裝置，將檢測信號反饋給數控系統。其反饋給數控系統有兩種方式：一是適應帶加減計數要求的可逆計數器，形成加計數脈沖和減計數脈沖；二是適應有計數控制和計數要求的計數器，形成方向控制信號和計數脈沖。